JP4384830B2

JP4384830B2 - 一体構造の異種複合材料

Info

Publication number: JP4384830B2
Application number: JP2001393522A
Authority: JP
Inventors: 信幸鈴木; 晶寺師
Original assignee: 株式会社エー・エム・テクノロジー
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP2003193210A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば自動車のピストンピンや回転体の軸受では、強度、ヤング率の大きいことと、摺動部の耐摩耗性の良好なことの２以上の異なった特性を要求される部材に適要される。
【０００２】
さらに例えば燃料電池に供されるセパレーターは、熱伝導度の高いこと、表面の機械加工性の良好なことの両特性を要求される部材に適要される。
【０００３】
以上の例のように本発明は、単一部材として２以上の要求特性を満足しうる複合材料に関するものである。
【０００４】
【従来の技術】
例えば自動車の内燃機関のピストンピンや回転体の軸受では、強度、ヤング率を重視した複合材料では、強化材として炭化珪素繊維や炭素繊維とマトリックス材としてマグネシウム合金との組合せで試みたものがあった。炭化珪素繊維を使用したものは、耐摩耗性は良好だが、摺動の相手材を著しく侵したり、ヤング率が低かったりして不適であった。他方炭素繊維を使用したものは、強度、ヤング率は充分であったが、耐摩耗性は不充分であった。
【０００５】
もう一つの例では、燃料電池に供されるセパレーターがあるが、セパレーターとして、熱伝導度の高いという理由で炭化珪素の粒子を強化材とし、マトリックスをアルミニウム合金で作成したものは、確かに高い熱伝導度を示すが、水路となる溝を後工程で加工するには、通常の工具で不可能であり、非常にコスト高になってしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、単一の強化材を用いて複合したものは、様々な面で、全ての特性を満足させることが困難である。従って、本発明の課題は複数の強化材の組合せによって、一体構造の異種複合材料を供給することによって、様々な部材の様々な要求特性を満足させることとした。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
様々な部材の様々な要求特性を満足させるためには、適切な複合材の選択が必要である。特に強化材の種類、形状によって複合材の特性値は大きく変化する。
【０００８】
強化材の形状、種類による複合材の期待される特性を表−１に示す。
【０００９】

【００１０】
表−１に示すように、強化材によって複合材の特性が大きく変化することが理解される。そこで、課題を解決するための手段として、例えばピストンピンや軸受では、摺動部は耐摩耗性に富むアルミナ、炭化珪素、窒化珪素の粒子や炭化珪素ウィスカーや繊維を使用し、それ以外の所は高強度、高弾性の炭素繊維を使用すれば良い。
【００１１】
例えば図−１−ａは、ピストンピンの強化材の構成を示す断面図である。ピストンピンの外周側は、アルミナや炭化珪素の粒子などで成形し、中心の円筒部は炭素の連続繊維で成形する。このものを図−１−ｂに示すように、マグネシウム合金溶湯に高圧をかけて含浸し、図−１−cに示すピストンピンを得る。このピストンピンは、外周面は充分な耐摩耗性を有しており、中心円筒部は充分な強度やヤング率を有する。
【００１２】
さらなる例は、図−２−ａは、燃料電池の部材の一つであるセパレーターに用いられる板材の強化材の構成を示す断面図である。セパレーター用板材の上下面は炭素粒子成形体で構成し、同板材の中央部は炭化珪素粒子成形体で構成する。このものを密着させて金型に配置し、図−２−ｂに示すように、アルミニウム合金溶湯に高圧をかけて含浸し、図−２−cに示すような板材を得る。この板材の中心部は、熱伝導度が高く、又、上下面は易加工性の部材となる。この複合板材の上下両面に溝加工すると、図−２−ｄに示すような燃料電池用セパレーターが得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明における強化材を形成する材料は、セラミック質、カーボン質又は高融点金属からなる粒子、ウィスカー又は繊維状の異なる強化材の２種以上の予備成形体を隣接させて、その後、高圧下にてマトリックスとなる溶融金属を含浸した一体構造の異種複合材料にあって、強化材はアルミナ、炭化珪素、ムライト、ほう酸アルミニウム、炭素、黒鉛、タングステン、モリブデン、ステンレス、ニッケル、チタンのいずれかの2種以上を選択するものである。
【００１４】
本発明に用いられる強化材の形状は、図−１、図−２に示すように予備成形体だけで構成されたものも、図−３のように1種のみが予備成形体で、他の種類の強化材は予め成形しないものであっても良い。
【００１５】
本発明における予備成形体の成形方法は、例えば強化材がセラミックス質ならば、シリカゾルやアルミナゾルなどの無機質バインダーを添加して成形したものでも利用出来るし、又、強化材の焼結によっても良い。強化材が炭素質の場合は、フェノールやフランなどの有機物バインダーを加えて焼成したものも利用出来る。強化材が高融点金属の場合は、プレス成形しただけのものや、その金属の融点以下で拡散接合したものなどが利用出来る。
【００１６】
本発明に用いられる強化材の体積率は、５〜９５％の範囲で用いられ、要求される特性によってその仕様は変化する。
【００１７】
本発明に用いられるマトリックス材は、アルミニウム及びその合金、マグネシウムおよびその合金、銅及びその合金が用いられる。これらの選択の場合も要求される特性によって決定される。例えば軽量であることを重視される場合にはマグネシウム合金を使用し、熱伝導度が重視される場合には、銅、アルミ合金を使用し、耐熱性の要求が８５０〜１０００℃の場合には銅を使用し、６００〜８５０℃の場合にはしんちゅうを使用することが望ましい。
【００１８】
本発明の一体構造を有する異種複合材料の含浸方法は、溶融したマトリックス材に高圧をかけて凝固させる溶湯鍛造法である。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例及びその比較例によって本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２０】
【実施例１】
前記した図−１に示す製造方法において、中心の円筒部を一方向炭素繊維成形体で成形する。ポリアクリルニトリルを前駆体とする炭素繊維を一方向に揃えてバインダーとしてフェノール樹脂をエチルアルコールで溶液としたものを用いた。その後、真空雰囲気下で３０００℃にて焼成して、外径１２ｍｍ、内径８ｍｍ、長さ８０ｍｍの成形体を得た。次に、粒径１０〜４４μｍのアルミナ粒子に、２ｗｔ％シリカゾルバインダーに懸濁させて、内径１２ｍｍ、外径１６ｍｍ、長さ８０ｍｍの形状になるように濾過したのち、固体を空気中８００℃に焼成して、アルミナ粒子成形体を得た。このようにして得られた２種の成形体を、図−１−ａに示すように組合わせて強化材とした。
【００２１】
その後、ＪＩＳＭＣ２Ｄマグネシウム合金を７５０℃にて、図−１−ｂに示すように、圧力６０ＭＰａにて溶湯鍛造法により、円柱形状の一体構造の異種複合材料を得た。
【００２２】
このようにして得られた異種複合材料を、内径８.５ｍｍ、外径１５.８ｍｍ、長さ７８ｍｍに加工して内燃機関のピストンピンとした。このピストンピンの抗折強度は８００ＭＰａ、外周面の硬度はロックウエルのCスケールで４５であり耐摩耗性は充分であると判断された。
【００２３】
【実施例２】
前記した図−２に示す製造方法において、市販の空隙率１５％の炭素成形体（グラファイト質）を、厚さ１.５ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、幅８０ｍｍの形状に加工したものを２枚得た。他方、粒度４４〜６４μｍの炭化珪素粒子を用意して、図−２−ａのように、下に炭素成形体を置いた後、炭化珪素粒子を厚さ１ｍｍになるように充填した後、さらにその上に炭素成形体を配置した。その後、JIS AC４Cを７５０℃に溶解した溶湯を入れて、圧力１００ＭＰａで溶湯鍛造した後（図−２−ｂ）、図−２−ｃの一体構造の異種複合材料を得た。
【００２４】
このようにして得られた、図−２−cの複合材料を厚さ方向に熱伝導度を測定した所、２３０Ｗ／ｍｋが得られた。この値は、燃料電池用のセパレーターとして充分な値であることが認められた。又、この抗折強度は３６０ＭＰａであって、自動車のような振動のある環境下でも充分に利用可能であることが認められた。
次に、セパレーターの水路として上下両面を、幅５ｍｍ、深さ１ｍｍで、水路総延長１０８０ｍ（片側）の加工を、一般に金属加工で使用される高速度鋼製の刃物で行ったが、刃物に異常は認められなかった。このものを両面加工して、図−２−ｄの燃料電池用セパレーターを得た。
【００２５】
【実施例３】
前記した、図−３−ａの構成で、１６は実施例２と同じ市販の炭素成形体、１８は粒３５０メッシュの炭化珪素粒子を使用して、ＪＩＳＡＣ３Ａを７００℃に保持した溶湯を注ぎ、１００ＭＰaの圧力で溶湯鍛造し、図−３−ｂに示す一体構造の異種複合材料を得た。このものの物性は、炭素を強化材とする部分の熱膨張係数とＳｉＣ粉体を強化材とする部分の熱膨張係数とほぼ同じ、８ｐｐｍであった。１６の部分は、機械加工が容易で、冷却パイプやパイプ状のヒーターを埋め込むことが可能で、又、熱伝導度が２００W／ｍｋと良好なことから、熱交換や熱伝導する素材として好適であることが判明した。
【００２６】
【実施例４】
市販の炭素成形体で空隙率１０％のものを、厚さ１０ｍｍ、内径４０ｍｍ、外径２４０ｍｍに加工し、上下両面を平均粒径１５０μｍである炭化珪素粒子を配置し、図−４−ａに示すように、ＪＩＳＣ３５６０のしんちゅうを１０００℃にて、圧力８０MＰａで溶湯鍛造した後、図−４−ｂに示す円板を得た。
【００２７】
得られた円板の特性値は、平均比重が３.１で、表面の摩擦係数は０.４５〜０.５５であった。このものを７００℃にて回転速度１０００回転／分にて、ブレーキパッドと5分間摺動させた後、円板の表面を観察したが何ら異常は見られなかった。このことから、自動車用のブレーキディスクとして充分な耐熱性、耐摩耗性、制動性があると判断された。又、鉄製のブレーキディスクに比して、約１／３の重量であった。
【００２８】
【比較例１】
実施例１と同じ大きさで全体が炭素繊維だけで強化材とするものと、全体がアルミナ粒子だけで強化材とするものを、同様の方法でピストンピンを作成した。炭素繊維だけのものは、抗折強度は１２００MPａと充分であったが、摺動摩耗損が厳しく、ピストンピンとしては不適であった。他方アルミナ粒子だけのものは、摩耗損は全くなかったが抗折強度は１５０ＭＰａと不充分であった。
【００２９】
【比較例２】
実施例２と同じ大きさで、全体が炭素成形体だけで強化材とするものと、全体が炭化珪素だけで強化材とするものを、同様の方法で燃料電池用のセパレーターを得た。全体が炭素成形体のものは、抗折強度が７０ＭＰａと著しく低く、又、熱伝導度も１２０Ｗ／ｍｋと低く、実施例２のものに対して劣っていた。全体が炭化珪素のものは、水路加工の際にダイヤモンド工具を使用しても、加工は困難であった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により、単一部材として２以上の要求特性を満足しうる一体構造の異種複合材料が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】ピストンピンの強化材断面図と製造工程図
【図２】燃料電池用セパレーターの強化材断面図と製造工程図
【図３】伝熱体用素材の製造工程図
【図４】ブレーキディスクの製造工程図
【符号の説明】
１金型
２パンチ
３ノックアウト
１１マグネシウム合金湯
１２アルミニウム合金湯
１３銅合金湯
１４炭素繊維成形体
１５アルミナ粒子成形体
１６炭素粒子成形体
１８炭化珪素粉体
２１ピストンピン
２２セパレーター用複合材料
２３セパレーター
２４伝熱体用複合材料
２５ブレーキディスク

Claims

セラミック質粒子からなる強化材とカーボン質からなる粒子、ウィスカー又は繊維からなる強化材との異なる2種の強化材であって、そのすくなくとも一種類が予備成形体である強化材を、隣接させて、その後、高圧下にてマトリックスとなる溶融金属を含浸鋳造した一体構造の異種複合材料。
アルミナ粒子からなる予備成形体とカーボン繊維からなる予備成形体を、隣接させて、その後、高圧下にてマトリックスとなる溶融金属を含浸鋳造した一体構造の異種複合材料。
炭化珪素粒子からなる予備成形体とグラファイト質からなる予備成形体を、隣接させて、その後、高圧下にてマトリックスとなる溶融金属を含浸鋳造した一体構造の異種複合材料。
マトリックスとなる溶融金属が、アルミニウム、マグネシウム、銅及びそれらの合金から選ばれた金属である請求項１〜３何れか記載の異種金属複合材料。